Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

В умах большинства людей прочно укоренилась справедливая мысль, что в любой реальной машине — механической, электрической, оптической — есть потери, поэтому ее коэффициент полезного действия всегда меньше 100 %. Но всегда ли мы отдаем себе отчет, что эти недостающие проценты КПД, образно говоря, перерабатываются в теплоту. Всюду, где происходит уменьшение КПД, выделяется теплота, повышается температура. Нагреваются подшипники, зубчатые колеса, валы, тормоза, шины автомобилей, шкивы и ремни, обмотки и сердечники трансформаторов и электрических машин, электропроводка, радиолампы, электронно-вычислительные машины. Пока мощность невелика по сравнению с размерами узлов, охлаждение происходит автоматически, при незначительном повышении температуры. Но когда на затяжных спусках начинают гореть тормоза автомобилей, когда в подшипниках мощных двигателей выделяется тепло, способное за несколько минут расплавить вкладыши, когда эфемерная, витающая в математических дебрях электронно-вычислительная машина начинает потреблять сотни киловатт, тогда волей-неволей приходится вспоминать о принудительном охлаждении. И тогда на механических, электрических, оптических устройствах ничего, казалось бы, общего не имеющих с теплотой, появляются прозаические ребра, патрубки и фланцы систем охлаждения, которые в таких случаях оказываются необходимым условием существования машин и сооружений современной техники. Вот почему в основе самых выдающихся достижений XX века — атомной, космической и электронной промышленности — лежит скрытый от поверхностного взгляда прогресс в области теплопередачи, прогресс в умении охлаждать и нагревать, то есть в умении ускорять и замедлять передачу тепла.

Сейчас трудно представить себе тот хаос, то смешение понятий, которые царили в учении о передаче тепла 150–200 лет назад. Мнения ученых о самых фундаментальных представлениях, о самых убедительных экспериментах находились в вопиющем противоречии. И, в сущности, эта путаница в науке в какой-то мере отражала объективное положение дела: в реальном мире различные механизмы теплопередачи переплетены так замысловато, так хитроумно, что их зачастую невозможно отделить один от другого. И чтобы внести порядок в этот хаос, созданный экспериментаторами, чтобы отделить плевелы от злаков, чтобы сформулировать основные понятия и определения, требовалась та дисциплина мысли, которая культивируется, быть может, одной лишь математикой. Вот почему решающую роль в становлении теплопередачи — науки по существу своему экспериментальной — сыграл математический гений Фурье.

В 1822 году в своей знаменитой «Аналитической теории теплоты» он сформулировал основную цель новой науки: «Уметь определять температуру в любой точке тела в любой момент времени, если известны температуры во всех точках тела в начальный момент». Четко разграничив три основных механизма теплопередачи — теплопроводность, излучение и конвекцию, он главное свое внимание сосредоточил на том из них, который показался ему простейшим, — на теплопроводности.

С этим видом передачи тепла мы весьма неприятным образом сталкиваемся, когда в сильный мороз опрометчиво прикасаемся голой рукой к металлическому поручню. Пальцы мгновенно прилипают к его поверхности, и мы иногда рискуем даже оставить на ней кусочки своей кожи. Причина — высокая теплопроводность металлов: тепло из точки соприкосновения отводится так стремительно, что температура кожи моментально падает до температуры замерзания влаги. Высокая теплопроводность металлов, столь неприятная в поручнях, спасла, однако, жизнь тысячам шахтеров мира. Раньше, когда они работали при свете масляных или керосиновых ламп, открытое пламя нередко вызывало страшные взрывы рудничного газа. Это продолжалось до тех пор, пока английский химик Дэви не догадался окружить пламя со всех сторон тонкой металлической сеткой, которая так быстро отводила тепло от раскаленных соприкасающихся с ней газов, что их температура оказывалась недостаточной для воспламенения взрывчатой смеси. Из всех чистых металлов лучше всего для изготовления такой сетки подошло бы серебро — самое теплопроводное вещество на земле. Ему немного уступают медь и золото. На другом конце ряда мы видим висмут и сурьму — металлы, проводящие тепло раз в 30 хуже, чем серебро.

Теплопроводность неметаллических тел — стекла, дерева, бумаги, кирпича и т. д. в 100—1000 раз хуже, чем у серебра, и обычно она повышается с увеличением плотности, температуры и влажности материала. Жизненно важно для человечества то, что именно в эту группу входят различные виды органического топлива — уголь, дерево, торф. Будь эти вещества теплопроводны, как металлы, человек едва ли научился бы добывать огонь. Ведь тепло, выделяемое при горении, из-за высокой теплопроводности отводилось бы в толщу материала и не нагревало бы близлежащие слои до температуры воспламенения.